1.4 传输码流及其复用
1.4.1 基本码流与打包基本码流
基本码流（ES）也称原始数据流，它是包含视频、音频或数据的连续码流。ES的结构和内容是根据各种数据的编码格式而定的。
打包基本码流（PES）是按照一定的要求和格式打包的ES流。因为音频或视频数据经过编码后得到基本码流，还无法直接送入传输系统或节目系统中，而是需要经过数据分组后才能送出。数据分组也称为打包，其包结构的长度可变，但一般是取单元的长度。一个单元的长度可以是一幅视频图像，也可以是一个音频帧。在PES的头上包含当前PES包数据的重要信息，可由此识别这个PES包是音频数据还是视频数据，且PES头中包含了该数据的解码或播放的相对时间，以同步和修正音/视频的同步及前后端的时钟。
【知识链接】
在数字电视中，所有的信息和信号包括视频、音频、文字、图片等，经过编码后都变成了数据。数据在媒体中存储或传输，就要引入码流的概念。码流（Data Rate），是指音、视频文件在单位时间内使用的数据流量，它是音、视频编码中画面质量控制中最重要的部分。如在同样分辨率下，视频文件的码流越大，压缩比就越小，画面质量就越高。一般情况下以DVD格式为的歌曲的码流为6～8Mbit/s；VCD歌曲的码流约为1.5Mbit/s。
1.4.2 节目码流
节目码流（PS）是用来传输和保存一个节目的编码数据或其他数据，它是将一个或几个具有公共时间基准的PES组合成单一的码流。如同单一节目码流一样，所有的基本码流都能在同步情况下解码。PS码流比较适用于相对误码率小的传输环境中，如交互式多媒体环境和媒体存储管理系统。PS码流的数据包长度相对比较长，并且是可变的，它的数据结构如图1-23所示。
图1-23 节目码流的组成示意图
【小知识】
传输速率是衡量数字信道传输能力的主要指标，它可用码元速率RB，单位为Baud/s（简称码率，或称波特率、符号率）、信息速率Rb，单位为bit/s（或称比特率）和数据传输速率（简称数据率）三种方式来描述。符号率、比特率和数据率分别从不同的角度来说明信道传输的有效程度。在讨论信道特性，特别是传输频带宽度时，通常使用符号率；在研究传输数据速率时，采用数据传输速率（数据率）；在涉及系统实际的数据传输能力时，则使用比特率。当数据信息为M进制时，Rb=RBlog2M，如M=2，Rb=RB。在有线数字电视中，当符号率RB=6.896MBaud/s时，Rb=6.896×log264=6.896×6Mbit/s=41.376Mbit/s。
1.4.3 传输码流
传输码流（TS）适合于有误差发生的环境，例如在噪声或有损耗介质中的存储或传输，比如有线网络、地面广播与卫星传输。它也是将一个或几个PES组合成单一的码流，但这些PES可以是有一个公共的时间基准，也可以是几个独立的时间基准。如果几个基本码流有公共的时间基准，那么这几个基本码流先组合成一组，这叫节目复用。然后由若干个节目复用后再进行传输复用。传输码流中的包长度是固定的，总是188字节，这对于处理误码很有好处，它的结构形式如图1-24所示。
图1-24 传输码流的组成示意图
由图1-24可见，每个传输码流数据包均有一个包头，包头的长度为前4字节，包头后面就是需要传送的有用信息，包括音频、视频或数据信息。包头是识别传输码流的关键，长度为32bit。其中主要有固定的同步字节8 bit，包识别（PID）13bit。
在包头32bit中，13bit的PID码特别重要，它是辨别码流信息性质的关键，是节目信息的“身份证号码”，也相似于“邮件上的邮政编码”。不同的电视节目和业务信息（SI）对应有不同的PID码。对于任何一台数字电视接收机或机顶盒，为了找到它所要接收的电视节目，它首先通过PID码找到业务信息（SI）所对应的不同表格（Table），节目专用信息中有4种表，详细介绍见下节。
【知识链接】
数字电视码流主要有基本码流、打包基本码流、节目码流与传输码流，这几种码流既不相同，又是相互关联的，它们之间的层次关系如图1-25所示。
图1-25 数字电视码流之间的层次关系
从图1-25中看到，视频或音频数据经编码器编码后得到的基本码流，但还不能直接进行传输，需要经过一个打包器打包（这是通俗的说法，其实是数据分组），被打成一个又一个包，称之为打包基本码流，其包结构长度可变。PES经节目复用器复用后，形成节目码流，可送到无误差媒体，如硬盘或CD-ROM；PES经传输复用器复用后，形成传输码流，可送到有误差媒体，如卫星、地面广播或有线电视系统。
1.4.4 传输码流中的节目专用信息
在数字电视节目中，通常一个频道对应一个传输码流（TS），一个频道的传输码流由多个节目及业务组成。在传输码流中如果没有引导信息，数字电视的终端设备将无法找到需要的码流，所以在MPEG-2中，专门定义了节目专用信息（PSI），其作用是自动设置和引导接收机进行解码。PSI信息在复用时通过复用器插入到TS流中，并用特定的PID（包标识符）进行标识。
节目专用信息（PSI）是MPEG-2特有的说明信息，用来自动设置和引导解码器进行解码。PSI由4种信息表组成：
（1）节目关联表（PAT）。针对复用的每一路业务，PAT提供了相应的节目映射表（PMT）的位置[传输码流（TS）包的包识别（PID）的值]，同时还给出了网络信息表（NIT）的位置。
（2）条件接收表（CAT）。条件接收表提供了在复用流中条件接收系统的有关信息。这些信息属于专用数据，并依赖于条件接收系统。当有授权管理信息（EMM）流时，它还包括了EMM流的位置。
（3）节目映射表（PMT）。节目映射表（PMT）完整地描述了一路节目是由哪些PES组成的，它们的PID分别是什么等。单路节目的TS流是由具有相同时基（PCR）的多种媒体PES流复用构成的，典型的构成包括一路视频PES、多路音频PES（多声道、普通话、粤语、英语等）及一路或多路辅助数据。各路PES被分配了惟一PID，MPEG-2要求至少有节目号、PCR PID、原始流类型和原始流PID。带有节目映射表的TS包不加密。
（4）网络信息表（NIT）。网络信息表（NIT）内容为专用，MPEG-2标准没有规定，通常包含用户选择的服务和传输码流包识别、通道频率、调制特性等。
PSI各表之间的关系及由PSI选择数字电视服务项目的过程如图1-26所示。
图1-26 PSI各表之间的关系及由PSI选择数字电视服务项目的过程
【小知识】
MPEG-2标准规定PID为0和1的TS包，分别载有PAT和CAT，这两个PID值不允许其他TS包使用。数字电视接收设备首先识别出PID为0的TS包，从中获得有效的PAT后，即可由其中开列的各节目号对应的PID值，找到相应TS包，这些TS包载有与节目对应的PMT，再从PMT中查到该节目音视频等基本流所在TS包的PID，于是可在TS中找到相应节目的ES。NIT所在TS包的PID也在PAT中。CAT在PID为1的TS包，从中可得知各CA系统的授权管理信息（EMM）所在TS包的PID，找到相应的EMM后，若为合法用户，取得密钥后，可获得相应服务。
1.4.5 传输码流中的业务信息
除了PSI信息，还需要为用户提供有关业务和事件的识别信息。广电行业标准化指导性技术文件GY/Z 174—2001《数字电视广播业务信息规范》定义了这些数据的编码。PSI中的PAT、CAT、PMT只提供了它所在的复用流（现行复用流）的信息，在文件中，业务信息（SI）还提供了其他复用流中的业务和事件信息。这些数据由以下9个表构成：
（1）业务群关联表（BAT）。业务群关联表提供了业务群相关的信息，给出了业务群的名称以及每个业务群中的业务列表。
（2）业务描述表（SDT）。业务描述表包含了描述系统中业务的数据，例如业务名称、业务提供者等。
（3）事件信息表（EIT）。事件信息表包含了与事件或节目相关的数据，例如事件名称、起始时间、持续时间等；不同的描述符用于不同类型的事件信息的传输，例如不同的业务类型。
（4）运行状态表（RST）。运行状态表给出了事件的状态（运行/非运行）。运行状态表更新这些信息，允许自动适时切换事件。
（5）时间和日期表（TDT）。时间和日期表给出了与当前的时间和日期相关的信息。由于这些信息更新频繁，所以需要使用一个单独的表。
（6）时间偏移表（TOT）。时间偏移表给出了与当前的时间、日期和本地时间偏移相关的信息。由于时间信息更新频繁，所以需要使用一个单独的表。
图1-27 业务信息（SI）的总体结构
（7）填充表（ST）。填充表用于使现有的段无效，例如在一个传输系统的边界。
（8）选择信息表（SIT）。选择信息表仅用于码流片段（例如，记录的一段码流）中，它包含了描述该码流片段的业务信息的概要数据。
（9）间断信息表（DIT）。间断信息表仅用于码流片段（例如，记录的一段码流）中，它将插入到码流片段业务信息间断的地方。
业务信息（SI）的总体结构如图1-27所示。业务信息是面向用户应用的基于PSI的扩展，以PSI为基础。在功能上，PSI信息表一般是必须传输的，而SI中的各表信息只有SDT、EIT和TDT是必须传输的，其他表根据需要传送，两者的关系如图1-28所示。
图1-28 PSI与SI之间的关系
【知识链接】
业务信息是数字电视系统用来指示描述业务的附加数据信息，在数字电视广播中，业务信息放在MPEG-TS流中，构成特定的传输码流数据段，随压缩的数字电视音视频传送流一起发送给数字电视接收机，引导数字电视接收机在传输码流中搜索节目、对指定的业务进行定位，并可以利用业务信息产生电子节目指南。
业务信息包括由MPEG定义的节目专用信息（PSI）（节目关联表（PAT）、节目映射表（PMT）和条件接收表（CAT））和针对数字电视应用的扩展信息（如网络信息表（NIT）、业务描述表（SDT）、业务群关联表（BAT）、事件信息表（EIT）、时间和日期表（TDT）、时间偏移表（TOT）和运行状态表（RST））。
1.4.6 传输码流的复用
模拟电视信号经过压缩编码后，形成单节目码流。它是在编码器由视频、音频及其他节目信息复用而成。这种复用一般称作单节目复用。数字电视是在一个模拟电视信道中可传送多路数字电视节目，因此在调制前先要将多路节目（可能具有不同的时基）的TS流进行再复用，实现节目间的动态带宽分配，提供各种增值业务，以适合系统传输的需要，这种多路节目的复用称为系统复用、传输流复用器或再复用。为帮助读者了解数字电视技术中的复用器，可用日常生活中的轮渡放行来比喻。
汽车从上海到江苏南通市经过长江轮渡，轮渡两边有不同车型的通道，如小车、货车与客车。轮渡工作人员根据轮渡装载车辆的情况，分时段放行不同的车辆。在模拟电视中，电视节目是以不同频道来区分，例如中央电视台一套节目安排在8频道，中央电视台二套节目安排在9频道等等，好似轮渡两边的不同车型通道。在有线电视网络内实现邻频传输，即频率复用。在有线电视前端如果要增加一套电视节目，一般只要增加一台邻频调制器，将调制器输出的高频信号加入混合器就可以。用户电视机利用频率分离，选择收看不同的电视节目。
而数字电视中将不同的节目混合在一起称为系统复用。数字信号的复用采用时分复用方式，所谓时分复用是把传输通道分成若干个时间段（时隙），每段时隙依次排列，分配给一套节目或一个特定的码流。在分配的这段时隙内，节目信号占用整个频带，各节目周期性地轮流占用，在接收端利用时基信号区分不同节目。好似轮渡按时段放行汽车，汽车放行后，不再受车道的限制，直接开到轮渡上。
复用技术分为两种：一般复用和统计复用。一般复用是指多路信号复用后输出信号的码率等于各路输入信号的码率之和，各路输入信号的码率不变。统计复用是根据信号的特点，动态地调整每路信号的码率，例如体育节目，动作变化大，需要占用较大的码率，教育节目静止画面多，不需要大的码率，两者使用一个复用器，互相调剂码率，既充分利用资源，又保证每套节目都达到满意效果。
数字电视中传输码流（TS）有固定长度（188字节），其中包头4字节，有效数据净荷184字节。而TS包中的净荷所传送的信息主要包括4种类型：
（1）视频、音频的PES包以及辅助数据。
（2）节目特殊信息（PSI），包括描述单路节目信息的节目映射表（PMT）与描述多路节目复用信息的节目关联表（PAT）以及对CA系统所要求的条件访问表（CAT）。
（3）各种业务信息（SI），包括强制性的网络信息表（NIT）、业务描述表（SDT）、节目段信息表（EIT）与时间和日期表（TDT），还包括可选的业务组表（BAT）、运行状态表（RST）和时间偏移表（TOT）等。
（4）DVB数据广播信息，包括数据管道、异步数据包、同步、被同步数据流、多协议封装、循环数据、循环对象。
复用器的主要目的是将多个单节目码流（SPTS）或多节目码流（MPTS）转换成一个MPTS，复用后的MPTS就可以在光纤网上传输或者直接通过QAM调制器调制输出，能有效提高线路的利用率。
经过多年的发展，复用技术已经相当成熟，其功能涵盖输入多节目码流（MPTS）节目分析、各路PSI/SI抽取、多路分解、PCR校验、编码率输出、过载保护等诸多功能。系统复用器最主要的工作是进行PSI信息的重构和节目时钟基准（PCR）校正。数字电视系统里的许多数据（如与节目有关的EPG、PSI、SI信息，ECM、EMM管理信息及加扰信息）都是从复用器加入的。
复用器从功能上主要包含PID过滤、PID映射、PCR校正、PSI/SI提取、插入和修改等，复用流程如图1-29所示。
图1-29 复用流程图
【小经验】
在数字电视前端要增加一套数字电视节目，需要将节目流送入复用器，在复用器中除了有每套节目的视频码流、音频码流外，还有EPG和ECM/EMM信息等。并且视、音频码流的带宽相差很大，在复用器中是采用时分复用，不同的时隙传送不同的节目信息。如果添加节目后出现有声音无图像，说明在传输码流中只有音频数据，没有视频数据，说明视频数据已丢失，应检查复用器是否有数据溢出现象。
【思考题】
1.简述传输码流包头的组成及各部分的作用。
2.简述节目专用信息在传输码流中的作用。
3.什么叫符号率？什么叫比特率？它们之间有何联系？
4.节目复用和系统复用有什么区别？